Microsoft Word - ScadaG1.doc

STRUKTURA I FUNKCJE SYSTEMÓW

DYSPOZYTORSKICH

• Struktura systemów dyspozytorskich

• Zadanie operatora sieci polega na dostarczeniu odbiorcy

określonej ilości gazu, przy dotrzymaniu parametrów

ilościowych i jakościowych dostawy, określonych w umowie.

• Określenie operator oznacza tu osobę lub osoby

bezpośrednio sterujące procesem.

• System dyspozytorski przedstawia zespół środków

technicznych i programowych przeznaczonych do

sterowania procesem technologicznym.

• SCADA (Supervisory Control snd Data Acquisition - System

Nadrzędnego Sterowania i Przetwarzania Danych).

Ogólna struktura systemu dyspozytorskiego (SCADA),

zorientowanego na potrzeby gazownictwa, ma zazwyczaj

strukturę hierarchiczną.

Struktura ta obejmuje:

• poziom nadrzędny, np. Krajowa Dyspozycja Gazem,

Dyspozytornia Ogólnopolska w przypadku Systemu

Gazociągów Tranzytowych (SGT),

• poziom zakładu, np. Regionalny Oddział Przesyłu, tłocznia z

przylegającymi odcinkami gazociągów w przypadku SGT,

• poziom instalacji, np. tłocznia, rozdzielnia, podziemny

magazyn gazu, Zakład Odazotowania.

• fizycznie system dyspozytorski składa się z sieci lokalnych

(LAN- Local Area Network), połączonych w sieć rozległą

(WAN - Wide Area Network) za pośrednictwem systemu

telekomunikacyjnego.

• na poziomie instalacji system dyspozytorski obejmuje

przetworniki pomiarowe, stanowiące źródło informacji o

procesie, połączone ze sterownikami procesowymi (PLC -

Programmed Logic Controllers) lub stacjami pomiarowymi

telemechaniki (nazywanymi często RTU - Remote Terminal

Unit).

Funkcje systemów dyspozytorskich

i sposoby realizacji

Odpowiednio do poziomu hierarchii system może być stosowany

przez operatora do wspomagania, między innymi, następujących

funkcji.

Na poziomie nadrzędnym

• długo, średnio i krótkoterminowego planowania wydobycia,

zakupu i dostaw gazu, na podstawie prognoz

zapotrzebowania, przy wykorzystaniu programów do

symulacji i optymalizacji,

• monitorowania przebiegu procesu technologicznego na

terenie całego kraju,

• sterowania pracą sieci gazociągów przesyłowych,

• optymalnego rozdziału obciążeń pomiędzy tłocznie gazu

ważne dla pracy całego systemu,

• koordynacji działania zakładów na niższym poziomie

hierarchii,

• koordynacji działania zakładów w przypadku awarii, co jest

szczególnie ważne w przypadku zakładów powiązanych za

pomocą sieci,

• nadzoru nad przebiegiem realizacji kontraktów na zakup i

dostawę,

• optymalizacji zakupu i dostaw, w przypadku możliwości

wyboru dostawcy,

• nadzór nad przebiegiem realizacji programu ruchu,

ewentualnie korektę tego programu,

• sporządzania planów remontów obiektów o znaczeniu

systemowym w oparciu o dane archiwalne dot. eksploatacji

obiektów (czas pracy, remonty, awarie),

• sprawozdawczości, archiwizacji danych, realizacji operacji

finansowych, np. fakturowania i płatności.

Na poziomie zakładu

• planowania ruchu przy wykorzystaniu programów do

prognozowania i symulacji, przy uwzględnieniu wartości

zadanych przekazywanych z poziomu nadrzędnego,

• optymalizacji pracy tłoczni (dobór optymalnej liczby

agregatów i parametrów ich pracy),

• wyznaczania wartości zadanych i nastaw regulatorów,

• monitorowania przebiegu procesu technologicznego na

obszarze działania zakładu i fragmentów sąsiednich

zakładów,

• bezpośredniego sterowania przebiegiem procesu transportu

gazu, przy wykorzystaniu stacji pomiarowych telemechaniki

i sterowników procesowych,

• sprawozdawczości, archiwizacji danych, realizacji operacji

finansowych, np. fakturowania i płatności.

Na poziomie instalacji

• określania wartości zadanych regulatorów o działaniu P, PI,

PID (indywidualnych lub realizowanych przez sterowniki

procesowe),

• realizacji różnych algorytmów sterowania agregatami i

aparatami, głównie przy zastosowaniu sterowników

procesowych, stacji pomiarowych telemechaniki i układów

bezpośredniego sterowania cyfrowego,

• sekwencyjnego załączania i wyłączania instalacji na

polecenie operatora lub automatycznie w przypadku sytuacji

awaryjnej,

• kontroli przekroczeń wybranych parametrów procesu i ich

sygnalizacji, kontroli wpływu instalacji na środowisko,

• monitorowania pracy instalacji,

• sprawozdawczości, archiwizacji danych, realizacji operacji

finansowych.

Wymienione funkcje, w zależności od ich rodzaju, realizowane są

w sposób ciągły, lub inicjowane okresowo (z różną częstością, na

żądanie) oraz doraźnie jako działania planistyczne. Funkcje te

realizowane są, współbieżnie z procesem (w tzw. czasie

rzeczywistym) lub z wyprzedzeniem w stosunku do przebiegu

procesu.

Przetworniki pomiarowe

Przeznaczenie przetworników

Sygnały z przetworników pomiarowych przekazywane są do:

• sterowników pomiarowych,

• stacji pomiarowych telemechaniki,

• komputerów pracujących w układach DDC (ang. Direct

Digital Control),

• bezpośrednio do wskaźników analogowych i cyfrowych oraz

rejestratorów.

Klasyfikacja przetworników

Podział ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego:

• przetworniki elektryczne (elektroniczne) w których

sygnałem wyjściowym jest natężenie prądu elektrycznego

(4...20 mA), lub napięcie prądu elektrycznego (0...5 V),

• przetworniki pneumatyczne w których sygnałem

wyjściowym jest sygnał ciśnienia powietrza o zakresie od 0.2

do 1.0 at.

Podział ze względu na rodzaj przetwarzanej wielkości

Najczęściej stosowane są przetworniki

• ciśnienia,

• różnicy ciśnień,

• temperatury,

• gęstości

• Cyfrowy przetwornik inteligentny

tzw. Smart

•

Dokładność przetwornika różnicy ciśnień zależy między

innymi od ciśnienia i temperatury. Wielkości te zmieniają się

w trakcie procesu, a wraz z nimi zmienia się i dokładność

przetwornika.

•

Dokładność przetwornika zależy także od indywidualnej dla

każdego egzemplarza charakterystyki elementu

pomiarowego.

Pracą całego przetwornika typu smart steruje mikroprocesor

minimalizując błędy od p,T oraz charakterystyki elementu

pomiarowego.

Przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C)

Stosowane aktualnie systemy SCADA, są w większości

urządzeniami cyfrowymi, opartymi na zastosowaniu techniki

mikroprocesorowej.

Jednym z ważniejszych elementów tych systemów są przetworniki

analogowo-cyfrowe.

W przetwornikach tych dokonuje się przetworzenia sygnałów

analogowych na sygnały cyfrowe.

Jeżeli chwilowa wartość określonej wielkości W(t) odwzorowana

jest za pomocą całkowitej liczby kwantów

ν(t)∆W ≤ W(t) ≤ [ν(t) + 1] ∆W

gdzie:

ν (t) jest liczbą kwantów, a ∆W wagą kwantu,

to mówi się, że wielkość W(t) odwzorowana jest w sposób

cyfrowy.

Przetworniki w strefie zagrożonej wybuchem

Ze względu na występowanie, w przemyśle gazowniczym, w

budynkach i ich strefach zewnętrznych atmosfery zagrożonej

wybuchem mieszaniny gazu z powietrzem, należy w nich stosować

przetworniki pomiarowe w wykonaniu iskrobezpiecznym.

Przetworniki zasilane są za pomocą zasilaczy iskrobezpiecznych

poprzez bariery (iskrobezpieczny przetwornik separujący)

umieszczone poza strefą zagrożenia wybuchem.

Sterowniki procesowe

Przeznaczenie sterowników

Sterowniki procesowe (PLC - Programmed Logic Controllers) i

stacje pomiarowe telemechaniki (RTU - Remote Terminal Unit)

stanowią bardzo ważny element systemów dyspozytorskich.

• sterowniki instaluje się w nadzorowanych obiektach. (od

strony procesu technologicznego połączone są z

przetwornikami pomiarowymi, elementami

sygnalizacyjnymi oraz elementami wykonawczymi - od

strony systemu dyspozytorskiego, za pośrednictwem sieci

LAN lub WAN i modułów telekomunikacyjnych, połączone

są z procesorami komunikacyjnymi lub bezpośrednio z

serwerami systemów telemechaniki (SCADA).

• stacje pomiarowe telemechaniki różnią się od sterowników

procesowych tym, że z reguły wyposażone są w moduły

telekomunikacyjne przeznaczone do transmisji danych na

większe odległości.

Funkcje sterowników

• Przetwarzanie na postać cyfrową sygnałów analogowych

pochodzących z przyłączonych do sterownika

przetworników pomiarowych.

• Odczytywanie stanów elementów sygnalizacyjnych.

• Transmisja wymienionych wyżej sygnałów do lokalnego lub

odległego serwera.

• Lokalne przetwarzanie sygnałów z przetworników

pomiarowych i sygnalizatorów zgodnie z programami

znajdującymi się w pamięci sterownika (np. układy regulacji

ze sprzężeniem zwrotnym, programowe układy regulacji,

funkcje przelicznika natężenia przepływu itp.).

• Uruchamianie i zatrzymywanie (w trybie planowym lub

awaryjnym) agregatów i urządzeń, zgodnie z określoną w

programie kolejnością, przy spełnieniu uwarunkowań

technologicznych.

Struktura programowa systemu

dyspozytorskiego

• System operacyjny,

• System Zarządzania Bazą Danych Czasu Rzeczywistego

(ang. RTDB Real Time Data Base),

• System Zarządzania Bazą danych Archiwalnych,

• Interfejs użytkownika.

System operacyjny

System operacyjny jest to pewien minimalny zestaw

oprogramowania niezbędny do pracy systemu komputerowego,

podstawowe zadania systemu operacyjnego:

• efektywne wykorzystanie sprzętu,

• koordynowanie pracy sprzętu, programów i użytkowników,
• ułatwienie użytkownikom korzystania z komputera.

System operacyjny kontroluje niemal wszystkie czynności

komputera i podłączonych do niego urządzeń. Decyduje w jaki

sposób są wykonywane programy, przechowywane dane,

drukowane wyniki obliczeń, wyświetlane obrazy na ekranie itp.)

System Zarządzania Bazą Danych Czasu

Rzeczywistego

• RTDB jest jednym z najważniejszych elementów

oprogramowania systemów dyspozytorskich, pracujących w

czasie rzeczywistym.

• Wszystkie informacje przesyłane do systemu

dyspozytorskiego (ze sterowników pomiarowych lub

wprowadzane ręcznie z klawiatury), zanim zostaną w

jakikolwiek sposób przetworzone i udostępnione

operatorowi, trafiają najpierw do Bazy.

• W Bazie są one przechowywane przez określony czas,

zależny od liczby informacji i pojemności pamięci.

• Podstawową cechą Bazy, jest szybkość dostępu do danych

zapisanych w bazie. (w systemie dyspozytorskim

stosowanym w gazownictwie, czas jaki upływa od momentu

pojawienia się informacji w Bazie do momentu jej

udostępnienia na ekranie stacji roboczej operatora nie

przekracza 0,5 sek.)

Najważniejsze moduły funkcyjne Bazy

• kalkulator,

• interfejs aplikacji,

• program zarządzania zbieraniem danych (skaning),

• program zarządzania bazą,

• program raportowania.

System Zarządzania Bazą Danych

Archiwalnych

• W nowoczesnych systemach SCADA do archiwizacji danych

stosowane są rozproszone, hierarchiczne, relacyjne bazy

danych, ściślej System Zarządzania Bazą Danych (SZBD,

RDBMS -Relational Data Base Management System).

• w skład takiej bazy wchodzą bazy danych na poszczególnych

poziomach hierarchii systemu SCADA.

Źródłem informacji dla bazy danych archiwalnych jest baza

danych czasu rzeczywistego. Serwer bazy danych archiwalnych, w

zadanym cyklu np. 5 min, 1h, 2h, 24h, odczytuje dane z bazy

danych czasu rzeczywistego i zapisuje je w bazie. Zapis może być

dokonywany w różny sposób np. jako średnia odczytów z 5 min,

ostatnia wartość odczytu z 5 min cyklu itp. Ta sama dana może

być archiwizowana w różnych cyklach np. 5 min i 2h.

W bazie danych archiwalnych przechowywane są dane

(parametry urządzeń oraz archiwalne dane ruchowe) z których

korzystać mogą różne programy użytkowe np.:

• programy do sterowania i wizualizacji parametrów

ruchowych,

• program identyfikacji parametrów części liniowej gazociągu,

• program obliczania masy gazu w gazociągu,

• program symulacji z rekonstrukcją stanu, program

symulacji wyprzedzającej,|

• program śledzenia rozprzestrzeniania się fali gazu o

określonym składzie,

• program do symulacji wymiany ciepła między gazem w

rurociągu a otoczeniem,

• programy prognozowania zapotrzebowania na gaz.

W bazie danych mogą być przechowywane dane:

• będące funkcją czasu i archiwizowane w określonym cyklu

tzw. dane cykliczne,

• dane zawierające informacje o urządzeniach, kontraktach,

harmonogramach dostaw i zakupów gazu itp. nazywane

ogólnie danymi niecyklicznymi.

Interfejs użytkownika

jeden z najważniejszych pakietów programowych składających

się na oprogramowanie systemu SCADA to Interfejs Operatora

nazywany też Interfejsem Operator-Maszyna (. MMI Man

Machine Interface).

Oprogramowanie Interfejsu Operatora, pracuje pod systemem

operacyjnym UNIX, opiera się przeważnie na wykorzystaniu

oprogramowania X-Window(sieciowy system okienkowy)

Oprogramowanie użytkowe

Prognozowanie

Wielkości wpływające na zapotrzebowanie na gaz

Czynniki wpływające na zapotrzebowanie na gaz można podzielić

na trzy grupy.

Wpływ polityki przedsiębiorstw użyteczności publicznej i polityki

energetycznej państwa

Wpływ ten określają:

• ramowe warunki rządowej polityki energetycznej,

• program dostaw i cele działalności przedsiębiorstw

dystrybucyjnych w zakresie dostaw do sektorów

gospodarstw domowych, handlu, przemysłu i produkcji

energii elektrycznej,

• polityka cenowa i taryfowa

Wymienione czynniki wpływają na długoterminowe

zapotrzebowanie na gaz. Mają zatem wpływ na zawierane

kontrakty jak również na program inwestycji w transporcie,

dystrybucji i magazynowaniu gazu.

Wpływ odbiorcy i rynku

Wpływ odbiorcy i rynku na przebieg prognozy jest widoczny w

postaci:

• zmiany godzinowego zapotrzebowania w ciągu doby, w

wyniku oddziaływania cyklu produkcyjnego, zwyczajów

odbiorców (rytm dnia), techniki ogrzewania np.

ograniczenia ogrzewania w nocy,

• zmiany średniodobowego zapotrzebowania w zależności od

dnia tygodnia np. niedziele, święta, dni robocze (w

prognozach uwzględnia się wagę dnia niezależnie od wpływu

zmian temperatury),

• zmiany sezonowe niezależne od zmian temperatury,

• racjonalizacji zużycia energii np. oszczędności energii.

Wpływ czynników meteorologicznych

Następujące czynniki meteorologiczne wpływają na zużycie gazu:

• temperatura zewnętrzna,

• nasłonecznienie,

• wiatr, jego szybkość i kierunek,

• wilgotność powietrza.

Rodzaje prognoz i metody prognozowania

Prognoza długoterminowa

Celem prognozy długoterminowej jest przewidywanie

średniodobowego zapotrzebowania na gaz, w poszczególnych

dniach roku, dla całego systemu, fragmentów systemu, lub

poszczególnych sektorów.

Prognoza wykorzystywana jest do:

• dostosowania systemu do przewidywanego zużycia,

• sporządzania planów dostawy i optymalizacji sposobu

pokrycia zapotrzebowania.

Prognoza krótkoterminowa

Prognoza krótkoterminowa określa przewidywane

zapotrzebowanie na gaz w poszczególnych godzinach na dzień lub

kilka dni naprzód. Prognozę sporządza się dla całego systemu,

jego fragmentów lub poszczególnych węzłów (punkty dostawy

gazu do sieci dystrybucyjnych, większych odbiorców itp.)

Prognozy wykorzystywane są do sprawdzenia czy przy danej

konfiguracji sieci oraz określonych dostawach do sieci, gaz

dostarczony zostanie do odbiorców w ilości i o parametrach

zgodnych z kontraktami

Programy do symulacji

Oprogramowanie do symulacji zalicza się do podstawowego

oprogramowania użytkowego systemów dyspozytorskich.

Stosowane jest w trybie on-line i off-line do rozwiązywania

wymienionych niżej zagadnień.

• Formułowania krótko i długoterminowych programów

ruchu sieci gazociągów w oparciu o plany sprzedaży i

dostaw, z uwzględnieniem możliwości przesyłowych sieci.

• Prowadzenia planowych prac remontowych.

• Planowania rozbudowy i modernizacji sieci.

• Wykrywania nieszczelności.

• Optymalizacji rozmieszczenia aparatury kontrolno -

pomiarowej w sieci.

• Śledzenia rozprzestrzeniania się fali zmian składu gazu.

• Przewidywania kształtowania się rozkładów ciśnień i

przepływów w sieci w oparciu o prognozy zapotrzebowania

i/lub plan sterowania.

• Weryfikacji programów sterowania siecią.

• Szkolenia personelu dyspozytorskiego.

• Elementy sieci gazowej:

Odcinek rurociągu odcinek

rurociągu o stałej średnicy i

chropowatości, bez odbioru.

Zawór

element o zerowej długości, który

może przyjmować dwa stany (otwarty

i zamknięty).

Zawór regulacyjny

element bierny realizujący zadana

wartość (ciśnienie wlotowe, ciśnienie

wylotowe, natężenie przepływu,

stosunek ciśnień).

Stacja mieszania

zbiór połączonych ze sobą zaworów

regulacyjnych i sprężarek

sterowanych w taki sposób aby

uzyskać określony skład gazu.

Stacja sprężarek

dowolna liczba różnych sprężarek

(tłokowych, wirnikowych z napędami

i chłodnicami) połączonych szeregowo

lub równolegle.

Magazyn gazu

element o zerowej długości i zerowym

oporze o określonej pojemności.

Opór miejscowy

reprezentuje opór kształtki lub

częściowo zamkniętego zaworu.

Warunki brzegowe mogą przedstawiać kombinację:

• zmian dostaw i poborów w węzłach sieci,

• zmian parametrów gazu,

• zmian położenia zaworów,

• zmian wartości zadanych zaworów regulacyjnych,

• zmian konfiguracji stacji sprężarek, trybu ich pracy lub

wartości zadanych,

• zadania wartości przepływu lub ciśnienia w dowolnym

punkcie sieci,

• wskazania pęknięcia gazociągu w dowolnym punkcie sieci.

Wybrane funkcje symulacji

• rekonstrukcja stanu,

• symulacja wyprzedzająca.

Wykrywanie nieszczelności

Modelowanie nieustalonych procesów umożliwia wykrycie i

lokalizację nieszczelności drogą porównania wielkości

zmierzonych i obliczonych w wyniku symulacji. Wielkość

wykrywanych nieszczelności zależy od dokładności

opomiarowania, gęstości rozmieszczenia aparatury wzdłuż

gazociągów, częstości odczytów oraz warunków przepływu

(ciśnienia i natężenia przepływu).

Śledzenie rozprzestrzeniania się

zmian składu gazu

Skład gazu wpływa m.in. na wartość kaloryczną i liczbę Wobbego.

Wartości te określone są w warunkach dostawy gazu i celem

operatora sieci jest ich dotrzymanie. Dlatego program śledzenia

składu gazu ma duże znaczenie praktyczne.

Skład gazu w sieci może zmieniać się w wyniku:

• zmian natężenia przepływu i składu dostarczanego gazu,

• zmian wartości zadanej w stacjach mieszania.

Symulacja procesu izotermicznego

i nieizotermicznego

• stała temperatura gazu w gazociągu,

• zmienna temperatura gazu w gazociągu.

W przypadku przepływów nieizotermicznych, model procesu

zostaje rozszerzony o równanie energii a program symuluje

proces wymiany ciepła z otoczeniem uwzględniając:

• temperaturę otaczającego ośrodka,

• gęstość otaczającego ośrodka,

• współczynnik wymiany ciepła pomiędzy rurociągiem i

ośrodkiem,

• ciepło właściwe ośrodka.

Identyfikacja charakterystyk sprężarek

W wyniku eksploatacji charakterystyki ulęgają zmianie co ma

wpływ na dokładność doboru, przez operatora, parametrów

pracy sprężarek. i konfiguracji tłoczni, w zależności od warunków

pracy gazociągu.

Konieczne jest oprogramowanie, które na podstawie zbioru

danych pomiarowych z odpowiednio długiego okresu umożliwiają

aktualizację charakterystyk sprężarek.

Modelowanie stacji sprężarek

Modelowanie stacji sprężarek stanowi ważna funkcję programu

symulacji, szczególnie w przypadku złożonych układów tłoczni w

których gaz zasysany jest z wielu kolektorów i tłoczony jest

również do wielu kolektorów.

Model stacji sprężarek buduje się z następujących elementów:

• sprężarek wirnikowych,

• sprężarek tłokowych,

• turbin gazowych napędzających sprężarki,

• silników spalinowych napędzających sprężarki tłokowe,

• silników elektrycznych napędzających sprężarki tłokowe,

• chłodnic.

Wymienione elementy mogą być łączone w dowolne konfiguracje

określone przez rodzaj elementów, sposób ich połączenia oraz

zasadę sterowania. Zasada sterowania określa udział

poszczególnych jednostek w obciążeniu oraz sposób sterowania

poszczególnymi jednostkami (np. regulacja obrotami, martwym

kieszeniami, dławieniem itp.).

Wartości zadane mogą dotyczyć:

• ciśnienia wlotowego,

• ciśnienia wylotowego,

• wydajności,

• stopnia sprężania,

• maksymalnej mocy,

• prędkości obrotowej.

Programy do optymalizacji

• lokalna optymalizacja parametrów pracy tłoczni,

• optymalizacja statyczna sieci przesyłowej,

• optymalizacja dynamiczna systemu,

• optymalizacja wykorzystania zdolności przepustowej sieci.